CN110514734B - 一种复合磁场磁光成像无损检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合磁场磁光成像无损检测系统及方法，所述系统包括：二维运动平台、恒定磁场源、交变磁场源、磁光传感器、交直流电源、处理器；恒定磁场源设于二维运动平台上方，交变磁场源设于恒定磁场源的外侧，交变磁场源于交直流电源连接；磁光传感器设于恒定磁场源的磁场范围内；磁光传感器和处理器连接。所述方法包括以下步骤：S1：对待检测工件进行励磁；S2：对待检测工件的磁光图像进行采集；S3：利用卷积神经网络(CNN)，对磁光图像进行缺陷检测；S4：将检查结果可视化。本发明复合磁场磁光成像无损检测技术是将焊接缺陷直接转化为图像进行处理，无损检测的识别精度高，可视化程度高。
Description
技术领域
本发明涉及无损缺陷检测领域，更具体地，涉及一种复合磁场磁光成像无损检测系统及方法。
背景技术
在汽车制造、航天航空、机床加工等领域都会大量使用金属铸件，金属制品与我们的生活息息相关。由于加工工艺难以控制、工作条件恶劣、质量要求高以及各种随机干扰因素的影响，铸件会不可避免地会产生砂眼、针孔、夹渣等缺陷。在焊接工艺中，由于焊接环境恶劣和机器疲劳等因素，焊接过程中容易出现裂纹、气孔、固体夹杂、未熔合、未焊透等缺陷。为了保证其产品质量，必须及时和有效地检测出缺陷。在实际生产过程中，除了目测表面缺陷与成型缺陷外，通常还需要采用无损检测技术来检测缺陷，因此一种有效的缺陷无损检测方法具有重要的现实意义。
目前国内外对于缺陷的无损检测主要集中在以下几种方法：(1)磁粉检测方法，该方法仅限于导磁性材料，检测前需要对被测工件表面进行多次清洗和退磁工作，确保表面平滑，不影响磁力线分布。然后在表面上均匀布满磁粉，磁化后被测工件缺陷会产生不规则的磁力线，这些缺陷将会通过磁粉的分布展现出来。磁粉检测一般用于铁磁性工件的表面及近表面缺陷的检测，其成本较低，灵敏度较高并且对被测工件无形状要求。磁粉检测法工序比较复杂，不适用于在线检测或者较厚的工件。(2)渗透检测方法，其原理是基于液体的毛细管作用，是检测工件表面开口缺陷的无损检测方法，具体包括荧光和着色两种方法。荧光检测的原理是将被测工件浸入荧光液中，因毛细管现象，在缺陷内部吸满了荧光液。除去表面液体，由于光电效应荧光液在紫外线的照射下，发出可见光而显现缺陷。着色检测的原理和荧光检测相似，它不需要专门设备，只是用显像粉将吸附在缺陷内的着色液吸出工件表面而显现缺陷。该方法在检测工件表面开口裂纹时灵敏度极高，对表面潮湿或者存在涂层的试样，会极大影响检测效果，而且该方法的判定很大程度上取决于检测员的经验。(3)射线检测方法，是利用射线(x射线、γ射线等)穿过被测物体过程中具有一定的衰减规律，根据通过工件各部位衰减后的射线强度来检测工件内部缺陷的一种方法。不同物体其衰减程度不同，衰减的程度由物体的厚度、物体的材料种类以及射线的种类而决定。射线检测主要用于检测工件内部体积型缺陷，且工件的厚度不易超过80mm，可根据材料的衰减系数做相应的加厚或者减薄。该方法检测成本高，检测设备较大，产生的射线辐射对人体伤害极大，对微裂纹缺陷的检测灵敏度较低。(4)超声波检测方法，其原理是利用超声波在被测工件内传播时，会受到被测工件材料声学特性和其内部组织变化的影响，通过超声波的影响程度以及状况分析，来探测材料性能以及结构的变化。该检测方法的检测效率较高，并且成本较低，但相对其它检测方法，对操作人员的要求较高。该方法对于区别不同种类的缺陷有一定的难度，其最大的缺点就是检测时需要耦合剂。(5)涡流检测方法，其检测原理是基于电磁感应现象，变化的磁场在导体工件中产生涡流，如果在工件中存在缺陷、夹杂、电导率变化或结构变化时，会影响涡流的流动，使得叠加磁场发生变化，根据磁场的变化可以判断工件的缺陷。该方法具有检测效率高、适用于在线检测、无需耦合剂和非接触检测等优点，并且对近表面或者表面缺陷的灵敏度较高。但是只适合导电材料表面和近表面的检测，难以判断缺陷的种类、形状和大小。(6)恒定磁场和交变磁场磁光成像无损检测法。这两种方法是利用法拉第磁光效应，分别用永磁性磁铁和低频交流电实现恒定磁场和低频交变磁场，工件处于感应磁场中，若工件存在缺陷，磁力线会发生畸形显现，这一畸变的磁力线将产生畸变的磁场，并引起该处的垂直磁场分布发生变化，磁光传感器可将该垂直磁场转化为磁光图像，分析工件缺陷转化为分析磁光图像。(7)其它检测方法。如激光全息无损检测，是将物体表面和内部的缺陷，通过外界加载的方法，使其在相应的物体表面造成局部的变形，用全息照相来观察和比较这种变形，并记录下不同外界载荷作用下的物体表面的变形情况，进行观察和分析，而后判断物体内部是否存在缺陷。声发射检测技术，是物体在外界条件作用下，缺陷或物体异常部位因应力集中而产生变形或断裂，并以弹性波形式释放出应变能，用仪器检测和分析声发射信号并确定声发射源的技术。红外线检测技术，在检测时可以将一恒定的热流注入工件，如果工件内存在缺陷，由于缺陷区与无缺陷区的热扩散系数不同，那么在工件表面的温度分布就会有差异，内部有缺陷与无缺陷区所对应的表面温度就不同，由此所发出的红外光波(热辐射)也就不同，利用红外探测器可以响应红外光波并转换成相应大小电信号的功能，逐点扫描工件表面就可以获得工件表面温度的分布状况，从而发现工件表面温度异常区域，确定工件内部缺陷的部位。
上述检测技术的缺点：磁粉检测限于铁磁性材料，且对工件表面有严格要求；渗透检测限于表面开口缺陷；射线检测的检测成本高，检测设备较大，产生的射线辐射对人体伤害极大；超声波检测对操作人员的要求较高，区别不同种类的缺陷有一定的难度且需要耦合剂；涡流检测只适合导电材料表面和近表面的检测，且难以判断工件缺陷的种类、形状和大小；激光全息无损检测取决于物体内部的缺陷在外力作用下能否造成物体表面的相应变形；声发射检测技术由于声发射信号的强度一般很弱，需要借助灵敏的电子仪器才能检测；现有定磁场下磁光图像易饱和，无法检测较深缺陷，而现有交变磁场磁光成像无损检测法难以对工件内部微小缺陷进行准确检测；红外检测技术主要测量工件表面热状态,不能确定工件内部的热状态，与其它检测仪器或常规监测设备相比价格昂贵。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的无损检测的识别精度不够的缺陷，提供一种复合磁场磁光成像无损检测系统及方法。
本发明是基于现有技术提出新的无损检测方法，根据定磁场下磁光图像易饱和以及交变磁场下微小缺陷难检测问题，提出复合磁场下磁光成像无损检测技术，来解决现有技术不足，提高无损检测范围和识别精度。复合磁场磁光成像无损检测技术是将焊接缺陷直接转化为图像进行处理，无损检测的识别精度高，可视化程度高，图像处理方法比较开放，应用前景广。
所述系统包括：二维运动平台、恒定磁场源、交变磁场源、磁光传感器、交直流电源、处理器；
恒定磁场源设于二维运动平台上方，恒定磁场源与二维运动平台之间可放置待检测的工件；
二维运动平台用来放置待检测工件，并可带动待检测工件沿水平面进行二维运动；所述二维运动平台为放置工件的平台，且能够实现平台在水平面上进行二维运动即可，例如：十字滑台等。
交变磁场源设于恒定磁场源的外侧，交变磁场源于交直流电源连接；
磁光传感器设于恒定磁场源的磁场范围内；磁光传感器和处理器连接。
磁光传感器将磁场信息变为磁光图像传递给处理器；处理器对磁光图像进行处理，实现无损检测。
优选地，所述的恒定磁场源的结构为“U”形结构；恒定磁场源的U形机构的开口朝下，磁光传感器设于恒定磁场源的U形开口端的开口内。
优选地，所述的交变磁场源为“U”形结构，设置于恒定磁场源U形结构外侧，使得恒定磁场源的U形结构与交变磁场源的U形结构重叠，且二者处于同一竖直平面内；恒定磁场源的U形结构的外侧贴近交变磁场源的U形结构的内侧，U形结构以U形口内部为内侧，U形结构背部为外侧。
优选地，交变磁场源由硅钢片和铜线绕制而成；铜线的两端分别与交直流电源的正负极连接。
本发明所述方法包括以下步骤：
S1：利用复合场对待检测工件进行励磁，复合磁场是恒定磁场和交变磁场共同激励形成的；
S2：通过磁光传感器，对待检测工件的磁光图像进行采集，并将磁光图像信息传输至处理器；
S3：处理器运用卷积神经网络(CNN)对磁光图像进行缺陷检测；
S4：将检查结果可视化，传递给监控人员。
优选地，S3包括以下步骤：
S3.1：样本标定；
S3.2：建立预测模型：预测模型采用6个卷积层，经预处理后的磁光图像将化为19×19×50的矩阵；
由于磁光传感器采集图像分辨率不是固定的，设输入图像分辨率为n*m，将输入图像转化为601*601*3作为CNN输入层，CCN模型中有如下参数：
f[l]：卷积核的尺寸；
s[l]：每一步跨几格；
卷积核的数量；
其中[l]代表着第l层；
l层维度为：
其中，本模型中为本层高度，/>为本层宽度，/>可用n[l]表示；
第l层卷积核可以表示为：
其中19×19表示将图像分为19×19个目标框，50＝5×(5+5)，其中第一个5表示每个目标框可以检测五个目标物，第二个5是指可以检测5种缺陷，每个缺陷由5(第三个5)种信息表示，五种信息分别为：出现概率，缺陷中心横坐标，缺陷中心纵坐标、缺陷宽度、缺陷长度；
S3.3：初始化权值，对每层的卷积核进行初始化；
S3.4：利用标定好的样本对模型进行训练，并获得高准确率检测试件缺陷的模型；
S3.5：利用训练好的模型对传输进来的磁光图像实现实时缺陷检测。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
(1)本发明采用恒定磁场源和交变磁场源复合励磁技术，励磁装置不需要大体积线圈，检测装置可以实现集成化，拥有体积小、质量轻的优势。
(2)复合磁场磁光成像无损检测技术解决了恒定磁场下磁光图像易饱和以及难以检测较深缺陷的问题。
(3)复合磁场磁光成像无损检测技术解决了交变磁场下微小缺陷难检测以及趋肤效应的问题。
(4)设备安全性高，操作简单，体积较小，能耗低，适应性强，检测精度高。
(5)复合磁场磁光成像无损检测技术是将焊接缺陷直接转化为图像进行处理，可视化程度高，图像处理方法比较开放，应用前景广。
附图说明
图1为实施例1所述复合磁场磁光成像无损检测系统示意图。
图2为实施例2所述复合磁场磁光成像无损检测方法流程图。
图3为卷积神经网络模型图，对磁光图像进行焊接缺陷检测。、
图中，1-二维运动平台、2-恒定磁场源、3-交变磁场源、4-磁光传感器、5-交直流电源、6-处理器，7-待检测工件。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本实施例提供一种复合磁场磁光成像无损检测系统，如图1所示，所述系统包括：二维运动平台1、恒定磁场源2、交变磁场源3、磁光传感器4、交直流电源5、处理器6；
恒定磁场源2设于二维运动平台1上方，恒定磁场源2与二维运动平台1之间可放置待检测工件7；
二维运动平台1用来放置待检测工件7，并可带动待检测工件7沿水平面进行二维运动；
交变磁场源3设于恒定磁场源2的外侧，交变磁场源3与交直流电源5连接；交直流电源5可将220V交流电变成一定电压下交变和直流电输出，将输出电源接入交变磁场源3，产生复合磁场，复合磁场对待检测工件7进行励磁，磁光传感器4将漏磁场信息变为磁光图像传递给处理器6。
磁光传感器4设于恒定磁场源2的磁场范围内；磁光传感器4和处理器6连接。
磁光传感器4将磁场信息变为磁光图像传递给处理器6；处理器6对磁光图像进行处理，实现无损检测。
所述的恒定磁场源2的结构为“U”形结构；恒定磁场源2的U形机构的开口朝下，磁光传感器4设于恒定磁场源2的U形开口端的开口内。
所述的交变磁场源3为“U”形结构，设置于恒定磁场源2的U形结构外侧，使得恒定磁场源2的U形结构与交变磁场源3的U形结构重叠，且二者处于同一竖直平面内；恒定磁场源2的U形结构的外侧贴近交变磁场源3的U形结构的内侧，U形结构以U形口内部为内侧，U形结构背部为外侧。
交变磁场源3由硅钢片和铜线绕制而成；铜线的两端分别与交直流电源5的正负极连接，铜线与交直流电源5的正负极连接的方式不同仅使得交变磁场源3产生的磁场极性不同而已。
本实施例由恒定磁场源2和交变磁场源3进行组合产生复合磁场，复合磁场是由交变磁场和恒定磁场共同作用形成的磁场，其中交流磁场源3是由硅钢片和铜线制成，电路中通不同频率的电源，恒定磁场源可以为电磁铁，可产生相应频率磁场，恒定磁场源2可用U型永久磁铁，也可用电磁铁代替；单一磁场是单一励磁方式形成的磁场，即磁场是由一种磁场源产生的。两种磁场激励下所形成的磁光图均是反应试件特征的光强图，区别在于所形成的磁光图像在后期图像处理的难易程度，以及所能反应试件特征的准确性，比如单一交流磁场激励下所形成的磁光图，由于趋肤效应，图像难以包含试件内部缺陷特性，二单一恒定磁场因此由这类图像预测试件缺陷特征难以达到理想的准确性。
本实施例磁光成像技术是依据电磁学、法拉第磁致旋光效应和马吕斯定律，利用线性偏振光(可将线性偏振光看成由同相位、同频率的左旋及右旋圆偏振光所合成的偏振电磁波)穿过和该偏振光传播方向平行的磁场中的材料介质之后偏振面将会发生旋转的原理，将在磁光传感器4上产生的与磁场强度相关的偏振旋转角度通过光学成像系统转化为可见图像对比度差异，进而得到了一个磁场对应的实时图像信息。
所述磁光传感器4主要部分包括激光光源、起偏器、CMOS传感器、检偏器和磁光晶片。磁光传感器属于非接触测量方式，成像直观、可靠性好、测量精度高、功耗低并且信息传输速率高。磁光传感器4工作的同时在工件表面的上方，通过精确控制磁场源使得待检测工件的缺陷附近产生感应磁场，由于工件缺陷存在，感应磁场在焊缝附近具有其特殊变化。当偏振光平行通过感应磁场反射后旋转一定的角度，再通过检偏器可以针对性地实现旋转后的偏振光的通过或截止，最后由CMOS摄像机获取并成像，所得的图像即包含了工件缺陷信息的磁光图像。
工作时，将待检测工件7固定在二维运动平台1上，通过调节二维运动平台1，使磁场激励在工件待检部位，磁光传感器4的CMOS传感器对准工件待检测部位。调节直流/交流电源，使交变磁场源3和恒定磁场源2共同激励工件，组合成复合磁场，两种磁场所占比重和电参数由不同缺陷类型确定，当待检测工件7适应磁场被激励状态时，打开处理器6，对漏磁场进行图像实时采集。核心技术在于恒定磁场源2与交变磁场源3复合励磁，复合磁场更能反应出试件内部情况，复合磁场在试件内部形成磁路，磁光传感器4将缺陷信息转化为磁光图像来分析。
实施例2：
本实施例提供一种应用于实施例1所述的复合磁场磁光成像无损检测系统的检测方法，如图2所示，所述方法包括以下步骤：
S1：利用复合场对待检测工件进行励磁，复合磁场是恒定磁场和交变磁场共同激励形成的；
S2：通过磁光传感器，对待检测工件的磁光图像进行采集，并将磁光图像信息传输至处理器；
S3：处理器运用卷积神经网络(CNN)对磁光图像进行缺陷检测；
S4：将检查结果可视化，传递给监控人员。
S3包括以下步骤：
S3.1：样本标定；
S3.2：建立预测模型：预测模型采用6个卷积层，经预处理后的磁光图像将化为19×19×50的矩阵；
由于磁光传感器采集图像分辨率不是固定的，设输入图像分辨率为n*m，将输入图像转化为601*601*3作为CNN输入层，CCN模型中有如下参数：
f[l]：卷积核的尺寸；
s[l]：每一步跨几格；
卷积核的数量；
其中[l]代表着第l层；
l层维度为：
其中，本模型中为本层高度，/>为本层宽度，/>可用n[l]表示；
第l层卷积核可以表示为：
其中19×19表示将图像分为19×19个目标框，50＝5×(5+5)，其中第一个5表示每个目标框可以检测五个目标物，第二个5是指可以检测5种缺陷，每个缺陷由5(第三个5)种信息表示，五种信息分别为：出现概率，缺陷中心横坐标，缺陷中心纵坐标、缺陷宽度、缺陷长度。
本预测模型如图3所示，不同之处在于本实施例所述预测模型最后没有全连接层，直接用矩阵来预测，以及中间层中卷积层数每层卷积数量不同。预测模型也就是表达式的一种，可以直接转化为代码进行训练和预测。
监督式学习分为训练和预测两个阶段，其中训练阶段是反复迭代更新卷积核内各参数训。
S3.3：初始化权值，对每层的卷积核进行初始化；
S3.4：利用标定好的样本对模型进行训练，并获得高准确率检测试件缺陷的模型；
S3.5：利用训练好的模型对传输进来的磁光图像实现实时缺陷检测。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种复合磁场磁光成像无损检测系统，其特征在于，所述系统包括：二维运动平台(1)、恒定磁场源(2)、交变磁场源(3)、磁光传感器(4)、交直流电源(5)、处理器(6)；
恒定磁场源(2)设于二维运动平台(1)的上方，恒定磁场源(2)与二维运动平台(1)之间可放置待检测工件(7)；
二维运动平台(1)用来放置待检测工件(7)，并可带动待检测工件(7)沿水平面进行二维运动；
交变磁场源设于恒定磁场源(2)的外侧，交变磁场源(3)与交直流电源(5)连接；
磁光传感器(4)设于恒定磁场源(2)的磁场范围内；磁光传感器(4)和处理器(6)连接；
磁光传感器(4)将磁场信息变为磁光图像传递给处理器(6)；处理器(6)对磁光图像进行处理，实现无损检测；
所述系统采用如下检测方法，包括以下步骤：
S1：利用复合场对待检测工件进行励磁，复合磁场是恒定磁场和交变磁场共同激励形成的，两种磁场所占比重和电参数由不同缺陷类型确定；
S2：通过磁光传感器，对待检测工件的磁光图像进行采集，并将磁光图像信息传输至处理器；
S3：处理器运用卷积神经网络对磁光图像进行缺陷检测；
S3.1：样本标定；
S3.2：建立预测模型：预测模型采用6个卷积层，经预处理后的磁光图像将化为19×19×50的矩阵；
设输入图像分辨率为n*m，将输入图像转化为601*601*3作为CNN输入层，CCN模型中有如下参数：
f[l]：卷积核的尺寸；
s[l]：每一步跨几格；
卷积核的数量；
其中[l]代表着第l层；
l层维度为：
其中，本模型中为本层高度，/>为本层宽度，/>可用n[l]表示；
第l层卷积核可以表示为：
其中19×19表示将图像分为19×19个目标框，50＝5×(5+5)，其中第一个5表示每个目标框可以检测五个目标物，第二个5是指可以检测5种缺陷，每个缺陷由5种信息表示，五种信息分别为：出现概率，缺陷中心横坐标，缺陷中心纵坐标、缺陷宽度、缺陷长度；
S3.3：初始化权值，对每层的卷积核进行初始化；
S3.4：利用标定好的样本对模型进行训练，并获得高准确率检测试件缺陷的模型；
S3.5：利用训练好的模型对传输进来的磁光图像实现实时缺陷检测；
S4：将检查结果可视化，传递给监控人员。
2.根据权利要求1所述的复合磁场磁光成像无损检测系统，其特征在于，所述的恒定磁场源(2)的结构为“U”形结构；恒定磁场源(2)的U形机构的开口朝下，磁光传感器(4)设于恒定磁场源(2)的U形开口端的开口内。
3.根据权利要求2所述的复合磁场磁光成像无损检测系统，其特征在于，所述的交变磁场源(3)为“U”形结构，设置于恒定磁场源(2)U形结构外侧，使得恒定磁场源(2)的U形结构与交变磁场源的U形结构重叠，且二者处于同一竖直平面内。
4.根据权利要求3所述的复合磁场磁光成像无损检测系统，其特征在于，交变磁场源(3)由硅钢片和铜线绕制而成；铜线的两端分别与交直流电源(5)的正负极连接。
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